釀酒葡萄果實振動脫粒特性研究

耿效華，徐麗明，李 超，邢潔潔，袁全春，陳俊威，劉旭東

(1.山東濰坊職業(yè)學院，山東 濰坊 262737；2.中國農(nóng)業(yè)大學 工學院，北京 100083

0 引言

葡萄酒在世界酒類市場上占有重要地位。近20年來，我國葡萄酒產(chǎn)業(yè)有了長足的進步，同期國際葡萄酒卻始終保持低速增長，我國葡萄酒發(fā)展勁頭強勁。2014年，VINEXPO有關(guān)國際葡萄酒及烈性酒市場的年度調(diào)查報告表明：在2012年中國已以1.535億箱(指九公升箱，下同)的產(chǎn)量晉身全球第五大葡萄酒生產(chǎn)國。2013年，中國的葡萄酒消耗量以1.554 1億箱繼續(xù)保住了全球最大紅葡萄酒消耗國的地位。在釀酒葡萄的生產(chǎn)過程中，采收是重要的作業(yè)之一。國外關(guān)于釀酒葡萄收獲機械化的研究發(fā)展較快，如紐荷蘭公司的G1、G2大型自走式采收機，主要采用振動方式，實現(xiàn)對葡萄的脫粒、輸送和收集。我國釀酒葡萄的采摘仍采用人工進行，采摘期短，勞動強度大，作業(yè)效率低，成本高。因此，研究葡萄機械化收獲技術(shù)可提高我國葡萄產(chǎn)業(yè)機械化水平，降低葡萄酒成本。

機械化采摘的關(guān)鍵是如何將葡萄果粒從果梗上脫離，降低破碎損失。因此，研究葡萄果粒的脫粒特性是葡萄機械化采摘裝置的核心。

關(guān)于漿果果粒脫粒特性的研究，目前周會玲、陳發(fā)河[1-2]等從生物學原理角度針對葡萄存儲運輸問題，分析了葡萄果柄耐拉力的特性。Pezzi和Caprara等人[3-4]研究了振動桿式葡萄采收機在收獲過程中的葡萄收獲狀況與振動桿運動參數(shù)的關(guān)系。其他果粒的研究方面，王業(yè)成、陳海濤等[5]研究了藍莓在振動作用下的脫粒特性；王海濱和郭艷玲等研究了藍莓的振動脫粒特性[6-7]。

振動技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用非常廣泛，可以針對不同的對象特點，調(diào)整振動參數(shù)，在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域已用于水稻的精量播種。但還沒有關(guān)于葡萄果粒在振動條件下的脫粒特性方面的研究報道。

本文依據(jù)振動原理，研制了振動式果粒脫粒試驗臺，通過二次正交旋轉(zhuǎn)組合試驗，采用高速攝影技術(shù)，研究了葡萄在不同振動參數(shù)下的脫粒特性，為葡萄振動式采摘機的研究提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 果粒的樣本選擇

在燕郊葡萄基地，采摘成熟的巨峰葡萄，用剪刀將成串的葡萄處理為帶果柄的單粒，選取果柄與葡萄結(jié)合處無機械損傷、成熟度一致、果柄長度大于5mm的葡萄果粒為試驗樣本，如圖1所示。

1.2 振動式脫粒試驗臺的研制

為了研究葡萄果粒的脫粒特性，研制了振動式脫粒試驗臺，主要包括振動臺、葡萄柄夾具、激光傳感器、連桿、電機、偏心塊、高速攝影儀和單片機控制系統(tǒng)等，如圖2所示。振動臺采用曲柄滑塊原理，實現(xiàn)簡諧振動。試驗臺通過變頻器(中達電通臺達VFD075F43B變頻器380V 7.5kW)控制電機(YS7122)的轉(zhuǎn)速，電機的轉(zhuǎn)速與振動臺的頻率數(shù)值一致；通過調(diào)整偏心塊偏心距離，實現(xiàn)不同的振幅。葡萄夾具框架四周用透明材料包覆，使葡萄果粒在振動過程中不會與框架發(fā)生碰撞。

圖1 試驗果粒樣本Fig.1 Sample picture of fruit bunches

(a) 試驗臺實物

(b) 振動試驗臺三維圖 1.聚光燈 2.變頻器 3.單片機系統(tǒng) 4.振動臺 5.高速攝像機 6.筆記本 7.振動臺 8.激光傳感器 9.葡萄柄夾具框架 10.葡萄柄夾具 11.連桿 12.偏心塊 13.電機圖2 振動試驗臺Fig.2 Vibration testing machine

脫落時，果粒會從框架下面落下，這時安裝在下面的激光傳感器會檢測到葡萄果粒，單片機(89C52RC)通過激光傳感器計時，數(shù)碼管將顯示從振動開始到脫粒發(fā)生所經(jīng)歷的時間。單片機從試驗臺開啟時開始計時，葡萄脫落，觸發(fā)激光傳感器，計時結(jié)束；然后單片機系統(tǒng)將計時器記錄的時間顯示在數(shù)碼管上，時間精度為0.01s。

為了觀察葡萄在振動過程中的運動狀況和受力特點，采用高速攝影儀(Phantom V9.1)錄像，然后通過網(wǎng)線將數(shù)據(jù)與筆記本電腦通信記錄數(shù)據(jù)，用以記錄葡萄在振動過程中的運動狀況。為了保證拍照效果，選用2 000W聚光燈補光。

1.3 二次正交旋轉(zhuǎn)組合試驗設(shè)計

在預(yù)試驗中發(fā)現(xiàn)，葡萄果粒在振動過程中，脫粒的主要形式是果柄、果刷從葡萄果肉中抽出。對于振動式葡萄采摘的脫粒性能，一個最直觀的標準就是葡萄在振動過程中，從開始到脫粒所經(jīng)歷的時間。因此，選取葡萄脫粒時長t作為試驗指標。葡萄脫粒是由于振動過程中受外力作用的結(jié)果，因此需要分析葡萄受力過程及其相關(guān)因素。為了考察不同因素對葡萄果粒脫粒的影響，并獲取回歸方程，采用二次正交旋轉(zhuǎn)組合試驗方法[7]。

1.3.1 試驗過程

首先檢查調(diào)試設(shè)備，保證運行狀況良好，設(shè)定好振動頻率和振幅，用夾具夾持葡萄果柄，夾持位置選取距離葡萄果粒外表皮3mm的位置；然后高速攝影儀開始拍攝，再通過變頻器控制電機開啟，振動臺往復(fù)運動；脫粒完成后，關(guān)閉高速攝影儀，記錄試驗數(shù)據(jù)，每組試驗重復(fù)10次，最后取其平均值。

1.3.2 回歸試驗因素選擇

振動臺的頻率為f，偏心塊偏心距l(xiāng)AB，根據(jù)振動臺的機構(gòu)簡圖(見圖3)可知

αC≈-ω2lABcosφ≈-(2πn)2lABcosφ

(1)

F≈mCω2lABcosφ×10-3≈

mC(2πf)2lABcosφ×10-3

(2)

其中，αC為夾具與葡萄果粒的加速度(m/s2)；ω為電機轉(zhuǎn)動角速度(rad/s)；lAB為曲柄轉(zhuǎn)盤圓心到拉桿端鉸鏈圓心的長度(m)；n為電機轉(zhuǎn)速(r/s)；F為葡萄果粒的慣性力(N)；mC為葡萄果粒質(zhì)量(g)；φ為曲柄與水平的夾角(°)；f為振動臺的振動頻率(Hz)。

由此可知葡萄果粒所受的慣性力與振動臺頻率f，果粒質(zhì)量mC以及偏心塊偏心距l(xiāng)AB有關(guān)；對3個因素進行單因素試驗，通過試驗確定了振幅范圍為50～110mm，頻率的水平范圍選擇為3～6Hz；根據(jù)葡萄果粒質(zhì)量的統(tǒng)計，選擇的質(zhì)量水平范圍為4～11g。

圖3 振動臺機構(gòu)簡圖Fig.3 Schematic diagram of vibration machine

2 二次正交旋轉(zhuǎn)組合試驗設(shè)計及回歸方程

根據(jù)二次正交旋轉(zhuǎn)組合試驗設(shè)計要求，頻率、設(shè)計水平如編碼表1所示。其中，f、lAB、mC的編碼值分別為x1、x2、x3，試驗結(jié)果如表2所示。得出脫落經(jīng)歷時間t的回歸方程，并根據(jù)回歸系數(shù)F檢驗值(見表3)，剔除不顯著因子及不顯著的交互作用，得到指標簡化回歸方程(標準回歸方程)為

t=615-215.44f+20.14f2

(3)

其中，t為葡萄果粒脫粒經(jīng)歷時間(s)；f取值范圍3.16Hz≤f≤5.82Hz。

表1 因素水平編碼表

表2 試驗設(shè)計及結(jié)果

續(xù)表2

表3 回歸方程系數(shù)的F檢驗值

續(xù)表3

F0.01(1,8)=11.26，F(xiàn)0.05(1,8)=5.32。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 二次正交旋轉(zhuǎn)組合試驗設(shè)計分析

從上面的正交試驗可以發(fā)現(xiàn)：葡萄果粒在振動過程中，頻率是最顯著因素，其他因素均不顯著。葡萄果粒脫粒雖然是疲勞斷裂，也是由于慣性力的作用，在葡萄果柄與葡萄果粒的連接處，內(nèi)部產(chǎn)生疲勞損傷造成疲勞斷裂的。

根據(jù)式(2)可知：葡萄果粒所受的慣性力與果粒質(zhì)量和振幅成一次方線性關(guān)系，與頻率的二次方成線性關(guān)系，所以頻率更為顯著；葡萄果粒質(zhì)量與振幅本身沒有頻率顯著，同時由于葡萄果柄會緩沖一部分慣性力，降低了各因素對葡萄脫粒的影響，但由于頻率最為顯著，所以削弱后仍然為顯著因素。因此，在葡萄收獲機構(gòu)設(shè)計中，應(yīng)更加注意頻率對于葡萄采摘的影響。

分析回歸方程可以發(fā)現(xiàn)(見圖4)，頻率越高，葡萄果粒脫落的時間t越小。當頻率達到5Hz左右時，葡萄果粒平均脫落時間t小于2s。但是，在實際采摘中存在隨著頻率增加，葡萄果粒在振動過程中發(fā)生破裂等損失的情況會越多，因此實際頻率的選擇應(yīng)該適當增加。

圖4 頻率f與時間t關(guān)系曲線Fig.4 Frequency f and time t curve

3.2 高速攝影儀分析

(4)

(5)

(a) 葡萄果粒位于中間位置

(b) 葡萄果粒位于極左位置

(c) 葡萄果粒位于極右位置圖5 葡萄果粒高速攝影分析Fig.5 High-speed photographic the grapes position

3.3 葡萄果粒振動疲勞特性的分析

根據(jù)整個試驗的結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)：葡萄果粒的振落約需要往復(fù)搖擺5次以上，因此葡萄脫粒是由于葡萄果粒與果柄連接部位應(yīng)力集中，具有疲勞的內(nèi)在條件。當在循環(huán)載荷作用下，果柄與果實連接部位所受周期性變化的交變拉力F做功，隨著疲勞損傷的積累，該處出現(xiàn)微觀裂紋，繼而微觀裂紋擴展形成宏觀裂紋。宏觀裂紋的擴展使得連接處達連接強度持續(xù)降低，最后引起斷裂失效，果刷與果粒連接部位斷裂，果刷從果粒中拔出，實現(xiàn)脫粒過程。

葡萄果粒往復(fù)搖擺的周期次數(shù)n，即果粒的疲勞斷裂的壽命t為

n=tf

(6)

3.3.1 葡萄果粒疲勞斷裂壽命與最大拉力關(guān)系

葡萄果肉與果刷連接部位疲勞載荷的幅值即為Fmax。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)得到，載荷幅值Fmax與疲勞振動周期次數(shù)n的載荷—壽命曲線，如圖6所示。

圖6 載荷-壽命曲線Fig.6 Cycle times curve of load

由圖6可知：疲勞振動周期次數(shù)n壽命隨著Fmax的降低而增加，該曲線類似于金屬的應(yīng)力—壽命曲線。逐步降低Fmax水平，當Fmax降到0.2N時，曲線趨近于水平線。這表明，當Fmax降到0.2N以后，葡萄疲勞壽命急劇增加，并逐漸趨近于無窮大。這就類似于葡萄果粒在自然環(huán)境下，隨著外界風等因素而擺動，在較小的Fmax下，即使常年累月，也并不會脫落。根據(jù)國外采摘機的參數(shù)資料[2-3]，按照振動桿長l桿=1.5m，采收機行進速度為v行進=2.8km/h，振動頻率為每分鐘400，則每粒葡萄的疲勞壽命n壽命為

(7)

Fmax大于0.19N時，疲勞壽命n維持在30以內(nèi)。因此，振動過程中，應(yīng)該保證Fmax大于0.19N。

3.3.2 葡萄果粒疲勞損傷能量與振動頻率關(guān)系

根據(jù)疲勞理論，葡萄果粒在振動過程中，葡萄的內(nèi)部損傷由外部振動造成，振動對葡萄做的功等于疲勞損傷積累的能量值。夾具以動能的形式對葡萄果粒做功，葡萄果粒的動能是從極左或極右的速度為零到中間位置的最大速度值|vmax|。則葡萄果粒在振動過程中，振動過程對葡萄所做的總功即葡萄疲勞損傷積累的總能量為

(8)

(9)

其中，E為一個振動周期對葡萄果粒做的功(J)；W為疲勞損傷能量(J)。

由于f是唯一顯著因素，所以剔除不顯著因素，根據(jù)f得到葡萄果粒的疲勞損傷能量W與f的關(guān)系圖，如圖7所示。

圖7 疲勞損傷能量-頻率曲線Fig.7 Fatigue damage energy curve of frequency

由圖7可知：葡萄果粒疲勞損傷能量W隨著f的增加而降低；當f增加到4Hz以后，W<0.5N開始趨近于水平線。因此，f>4Hz，這樣能降低脫粒所消耗的能量。

4 結(jié)論

1)依據(jù)振動原理，研制了振動式葡萄果粒脫粒試驗臺，主要包括振動臺、高速攝影儀和單片機控制系統(tǒng)等。

2)對葡萄果粒進行了不同振動條件下的脫粒試驗。試驗結(jié)果表明：對于葡萄果粒振動脫粒，頻率是唯一顯著因素，在葡萄收獲機構(gòu)設(shè)計中，應(yīng)該更加注意頻率對于葡萄采摘的影響。簡化回歸方程為：t=615-215.44f+20.14f2，f∈[3.16,5.82]。

3)疲勞振動周期次數(shù)n壽命隨著Fmax的降低而增加，該曲線類似于金屬的應(yīng)力—壽命曲線。逐步降低Fmax水平，當Fmax降到0.2N時，曲線趨近于水平線。同時振動過程中，應(yīng)該保證Fmax大于0.19N。

4)葡萄果粒疲勞損傷能量W隨著f的增加而降低。當f增加到4Hz以后，W小于0.5N開始趨近于水平線。因此，f應(yīng)大于4Hz，這樣能降低脫粒所消耗的能量。

后續(xù)的工作是將葡萄果粒脫粒特性的試驗結(jié)果，用于振動式采收機構(gòu)中，并進行多品種的試驗。

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